CN104253562A - 包围式单电极摩擦纳米发电机、发电方法和追踪装置 - Google Patents

Abstract

包围式单电极摩擦纳米发电机、发电方法和追踪装置。本发明利用聚合物材料和金属材料具有不同的摩擦电性质而构建出单电极的摩擦发电机，制作了基于该发电机的追踪***。该追踪***由多个发电机单元构成阵列矩阵，当物体在追踪***上面移动时，压力作用在发电机上，将会导致构成发电机的两层摩擦电材料接触，从而对外输出电信号。当物体离开该发电机时，构成发电机的两层摩擦电材料由于弹性材料的作用，会分离，也同样会对外输出电信号。本发明的基于摩擦发电机的追踪***可以对一些物体的移动路线进行追踪，具有成本低、自驱动和结构简单等特点。

Description

包围式单电极摩擦纳米发电机、发电方法和追踪装置

技术领域

本发明涉及一种摩擦纳米发电机，特别涉及一种包围式单电极摩擦纳米发电机、发电机组、发电方法以及基于该发电机的追踪装置。

背景技术

摩擦纳米发电机的工作原理是基于两种具有不同摩擦电特性的材料之间的相互接触和分离来发电。但是，目前见诸于报道的所有摩擦纳米发电机都需要两个电极层，其中至少一个电极层需要通过导电金属沉积在摩擦薄膜材料的表面而形成，并通过这两个电极层实现对外的电能输出。这种发电机一方面由于金属的沉积导致器件制作成本较高，另外一方面还要求摩擦材料的厚度必须在一定范围内。这些限制因素极大的妨碍了摩擦纳米发电机的推广应用。

追踪***在安全监控、人机界面和医疗科学方面有着广泛的应用前景，一般的追踪***是通过提供时间和位置的信息来实现对物体移动的追踪和定位。现有的追踪***主要是基于一些光学、磁学和力学的传感器网络来实现追踪，外部供电对于这些传感器是必不可少的。大量的电力消耗使现有的这些追踪***很难在未来的能源危机中得到广泛的应用，发展一种自驱动的追踪***是从根本上解决这些器件长期而稳定工作的关键。

发明内容

为了克服现有技术中的上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低廉的包围式单电极摩擦纳米发电机、发电机组、发电方法以及基于该发电机的自驱动追踪装置。

为了达到上述目的，本发明首先提供一种包围式单电极摩擦纳米发电机，其特征在于包括具有弹性弯曲形变特性并且围成一空腔的第一部件和至少部分处于所述空腔中的第二部件，所述第一部件面向第二部件的至少部分内表面为摩擦层或电极层，所述第二部件面向所述第一部件的至少部分外表面为电极层或摩擦层，所述电极层与等电位源电连接，所述摩擦层和电极层的至少部分表面在外力和所述第一部件的弹性的作用下能够发生接触和分离，同时通过所述电极层和所述等电位源输出电信号；

优选地，所述摩擦层和所述电极层之间存在摩擦电极序差异；

优选地，所述摩擦层选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚乙烯醇缩丁醛、尼龙、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯；

优选地，所述电极层为导电材料，选自金属、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体；

优选地，其所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，所述有机物导体为导电高分子，包括自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和聚噻吩；

优选地，所述电极层为薄膜或体相材料，其中薄膜的厚度为10nm-5mm；

优选地，所述摩擦层面向所述电极层的表面，和/或，所述电极层面向摩擦层的表面上，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构；

优选地，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列；

优选地，所述摩擦层面向所述电极层的表面，和/或，所述电极层面向摩擦层的表面上，有纳米材料的点缀或涂层；

优选地，所述摩擦层面向所述电极层的表面，和/或，所述电极层面向摩擦层的表面，经过化学改性，在二者中摩擦电极序相对为负的表面引入容易得到电子的官能团，和/或，在二者中摩擦电极序相对为正的表面引入容易失去电子的官能团；

优选地，所述第一部件朝向所述空腔的全部内表面均为所述摩擦层或电极层；

优选地，所述第一部件为非封闭结构，所述第二部件的上下表面分别与所述第一部件非封闭的边缘固定，使得所述第二部件的部分位于空腔内；

优选地，所述第一部件为闭合曲面或全封闭结构；

优选地，所述闭合曲面为中空的柱面；所述全封闭结构为中空的椭球体、中空的球体、中空的多面体或中间厚、边缘薄的中空饼状结构；

优选地，所述第二部件为薄膜、多面体、柱体、或球体；

优选地，所述第二部件为平板结构；

优选地，所述第二部件为与第一部件的部分内表面贴合的曲面结构；

优选地，在所述分离的过程中，所述摩擦层和电极层表面相互接触的部分能够达到的最大分离间距与二者接触面的长度和宽度尺寸可比或更大；

优选地，所述最大分离间距与所述接触面的长度的比值，以及，所述最大间距与所述接触面的宽度的比值均在1-100之间；

优选地，所述等电位源通过接地提供；

优选地，所述电连接通过需要供电的外电路实现；

优选地，还包括负载，并且所述电极层通过所述负载与所述等电位源电连接；

优选地，所述第一部件的弹性弯曲形变特性由所述摩擦层或电极层提供，或者，由另外包括的一个第一支撑元件提供，所述第一支撑元件贴合在所述所述第一部件的摩擦层或电极层背向所述空腔的外表面；

优选地，所述第一支撑元件选自聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙稀；

优选地，所述第一支撑元件厚度为50μm到10mm之间；

优选地，所述第二部件还包括一个第二支撑元件，其外侧面与所述摩擦层或电极层贴合；

优选地，所述第二支撑元件为刚性材料。

本发明还提供一种单电极摩擦纳米发电机组，其特征在于由2个以上前述任一款单电极发电机并联形成，各发电机输出的电信号单独监控或统一监控；

优选地，所述2个以上发电机通过纵向叠加形成所述发电机组；

优选地，所述2个以上发电机通过横向并排放置形成所述发电机组；

优选地，所有发电机共用一个平板式的所述第二部件；

优选地，所述2个以上发电机的第一部件至少部分不同，或完全相同。

本发明还提供一种发电方法，可以使用本发明中公开的任何发电机或发电机组，其特征在于包括如下步骤：

（1）提供一摩擦层，

（2）提供一电极层，

（3）将所述电极层与等电位源形成电连接；

（4）施加外力使所述摩擦层和所述电极层的至少部分表面之间形成至少一个接触-分离周期；

（5）在步骤（4）的过程中，通过所述电极层和所述等电位源输出电信号；

优选地，步骤（4）中所述摩擦层和所述电极层完全接触；

优选地，步骤（4）中施加的是方向周期性翻转或大小周期性变化的持续外力。

本发明还提供一种基于上述单电极摩擦纳米发电机的追踪装置，其特征在于包括：

2个以上前述任一种发电机，每个所述发电机的所述第一部件的外表面均设置于被追踪物体行进的表面上，并且所述电极层和所述摩擦层能够在被追踪物体的压力下至少部分表面接触，而在被追踪物体离开后恢复原状，每个发电机输出的电信号被独立监控。

与现有技术相比，本发明的单电极摩擦纳米发电机具有下列优点：

1、首次制作了基于单电极的摩擦纳米发电机，只需要用一个摩擦电聚合物材料和一个导电材料，便可以制作成纳米发电机，不再需要在摩擦电聚合物材料的表面镀金属电极层，极大的降低了制作成本。

2、首次通过单端接地的方式实现了摩擦纳米发电机的电信号输出，极大地简化了在使用过程中的电路连接，使其应用范围得到了明显扩展。

3、首次使用摩擦发电机阵列制作了自驱动的追踪装置。该装置基于被探测物体与环境的交互来实现对物体移动路径的有效探测。该装置不需要外部的供电单元，主要依靠物体在移动过程中，所触发的摩擦发电机发出的信号，来实现对物体的探测。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。

图1为本发明包围式单电极摩擦发电机的一种典型结构示意图；

图2为本发明包围式单电极摩擦发电机的工作原理图；

图3为本发明包围式单电极摩擦发电机的另一种典型结构示意图；

图4为本发明包围式单电极摩擦发电机的另一种典型结构示意图；

图5为本发明包围式单电极摩擦发电机的另一种典型结构示意图；

图6为本发明包围式单电极摩擦发电机的另一种典型结构示意图；

图7为本发明包围式单电极摩擦发电机的另一种典型结构示意图；

图8为本发明包围式单电极摩擦发电机的另一种典型结构示意图；

图9为本发明包围式单电极摩擦发电机的另一种典型结构示意图；

图10为本发明包围式单电极摩擦发电机的另一种典型结构示意图；

图11为本发明单电极摩擦发电机组的一种典型结构示意图；

图12为本发明单电极摩擦发电机组的另一种典型结构示意图；

图13为本发明单电极摩擦发电机组的另一种典型结构示意图；

图14为本发明基于单电极摩擦发电机的追踪装置的典型结构示意图；

图15为实施例1制备的包围式单电极摩擦发电机的实物照片；

图16为实施例2的发电机组的实物照片、电信号输出图以及在工作时点亮LCD灯的实时照片；

图17为实施例3的追踪装置的电路连接图、实物照片和在工作时的电信号响应图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

本发明中所称的“接地”是指连接到能提供或接受大量电荷的物体上，其中的“地”是指任何一点的电位按惯例取为零的大地或导电物质，例如舰船或运载工具的金属外壳等。

本发明中所述的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互摩擦的瞬间，在摩擦面上负电荷从摩擦电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面。例如，高分子材料聚四氟乙烯（Teflon）与金属材料铝箔接触时，铝箔带正电，即得电子能力较弱，高分子材料聚四氟乙烯（Teflon）带负电，即得电子能力较强。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。

本发明中所述的“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触摩擦并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为10纳米。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。

本发明中发电机的方向以摩擦层和电极层呈上下关系时为纵向，即摩擦层在上、电极层在下，或者摩擦层在下、电极层在上，这两种摆放状态都属于本发明所称的纵向。

图1所示的是本发明包围式单电极摩擦纳米发电机一种典型结构，包括具有弹性弯曲形变特性并且围成一空腔的第一部件10和至少部分处于所述空腔中的第二部件20，第一部件10面向第二部件20的至少部分内表面为摩擦层，第二部件20面向第一部件10的至少部分外表面为电极层，电极层与等电位源30电连接，摩擦层和电极层的至少部分表面在外力和第一部件10的弹性的作用下能够发生接触和分离，同时通过电极层和等电位源30输出电信号。

为了方便说明，以下将结合图1的典型结构来描述本发明的原理、各部件的选择原则以及材料范围，但是很显然这些内容并不仅局限于图1所示的实施例，而是可以用于本发明所公开的所有技术方案。

本发明的发电机工作原理参见图2进行说明，需要注意的是图中将第一部件10的内表面和第二部件20的外表面用不同颜色与第一部件10和第二部件20本体进行区分，目的是为了重点体现处于表面的摩擦层和电极层之间的相互作用，而不是表明第一部件10和/或第二部件20必须由两部分组成。基于这种理解，本发明发电机的工作原理如下：由于第一部件10内表面的摩擦层与第二部件20外表面的电极层的摩擦电极序不同，二者之间存在得电子能力的差异（此处以摩擦层的得电子能力较弱为例），因此当压缩力作用在发电机的第一部件10上带动摩擦层和电极层的某些表面相接触时，会使摩擦层表面带有正电荷，而电极层表面则带负电荷；当压缩应力释放后，第一部件10所具有的弹性弯曲形变特性会使摩擦层和电极层分离，破坏摩擦层和电极层之间的表面电荷平衡，为恢复该平衡，电子会通过外电路30从电极层向地流动，从而对外输出电信号；当摩擦层和电极层的间距达到最大时，二者之间的表面电荷重新达到平衡，电子不发生流动；当压缩应力再次作用到发电机上时，第一部件10被压缩，摩擦层表面和电极层表面将靠近，二者表面电荷的平衡又被破坏，将导致电子通过外电路30从地向电极层流动，对外输出电流。当摩擦层和电极层完全接触后，表面接触电荷达到平衡，电子停止定向流动，在外电路30观察不到电流输出。

第一部件10和第二部件20是本发明发电机最为主要的两个组成部分，分别提供了进行接触摩擦的两个表面。根据图2所示的发电原理，在外力撤销后发电机必须能够自行恢复使第一部件10和第二部件20相接触的表面至少部分分离，才能够实现电信号的输出。因此，第一部件10必须具有弹性弯曲形变的特性，并且其内表面必须提供一个能够进行摩擦发电的摩擦面，但是该摩擦面具体是非导电的摩擦层，还是导电的电极层，是没有具体限定的。只要该摩擦面能够与第二部件20提供的另一个摩擦面相匹配即可，例如第一部件10的内表面为摩擦层，第二部件20用于与之发生接触摩擦的外表面就应该是电极层；相反，如果第一部件10的内表面为电极层，那么第二部件20的外表面则应该是摩擦层。这种摩擦面位置的调换对于发电机的输出效果没有影响，可以根据具体的制备要求来决定。该摩擦面是否需要占据第一部件10的所有内表面，并没有具体限定，只要保证在与第二部件20所提供的另一摩擦面相接触的部分有摩擦面就可以，优选第一部件10朝向所述空腔的全部内表面均为摩擦层或电极层。

图1所示的实施方式中，第一部件10的弹性直接由摩擦层提供，当然也可以由电极层提供，只要将电极层和摩擦层的位置对调即可。这种弹性的获得既可以通过材料的选择实现，例如使用本身具有弹性的橡胶或聚氨酯弹性体等，还可以通过结构调整实现，例如电极层使用金属薄片而非金属厚板等，这些方式都是本领域的常规选择，此处不予赘述。但是，这并不是第一部件10具有弹性弯曲形变特性的唯一方式，还可以通过外加第一支撑元件的方式使第一部件10获得弹性弯曲形变的特性，这将在图4所示的实施方式中具体介绍。

第一部件10的形状没有特别限定，在图1所示的实施方式中，第一部件10为一个片状材料弯曲而成的、类似U形的非封闭结构，一些金属的薄片都可以实现这种结构。另外，根据需要还可以选择其他封闭曲面或全封闭结构，例如中空的球体或中间厚、边缘薄的中空饼状结构，这些在后面的实施方式中会有具体介绍（参见图6-10）。

第二部件20则仅仅是起到了提供一个摩擦表面的作用，其形状和尺寸最好与第一部件10，特别是第一部件10内表面的摩擦层相匹配，使得发电机在外力的作用下能够实现摩擦层和电极层具有最大的接触面积，从而提高发电机的输出性能。一般而言，第二部件20可以是薄膜、长方体、立方体或球体，优选平板结构。

第二部件20至少有部分表面必须处于由第一部件10形成的空腔内，以确保在外力的作用下第一部件10和第二部件20可以发生表面接触，这种相对位置的形成可以通过外加固定件实现，例如图1所示的方式，在没有外力作用时，第一部件10和第二部件20之间没有任何接触，这种相对位置的保持必须通过外加固定件（图中没有示出）来完成。除此之外，二者之间还可以通过直接接触固定来达到相同的目的，例如图3所示的非封闭结构：第一部件10弯曲后两个相对的边分别与所述第二部件20的上下表面固定形成一个空腔，使得所述第二部件20的部分位于该空腔内。第一部件10和第二部件20的连接可以用本领域中常规的连接方式，例如用绝缘胶水粘结、用双面胶黏贴、用夹紧件固定等等。

根据前述的发电原理可以看出，摩擦层和电极层之间摩擦电极序的差异是产生可输出电信号的关键，以下聚合物材料均可用于本发明的摩擦层中，并且按照排列的顺序具有越来越强的得电子能力：聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料供人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

通过实验发现，当摩擦层的材料与电极层的材料之间得电子能力相差越大，纳米发电机输出的电信号越强。所以，可以根据上面列出的顺序并结合简单的对比实验，选择合适的聚合物材料作为摩擦层，以获得最佳的电信号输出性能。

电极层在发电机中不仅要提供用于发电的一个摩擦表面，而且还起到电极的作用，需要在表面电荷所构成的电场不平衡时，能通过外电路30传输电子。因此，电极层与摩擦层接触的表面需要由导电材料构成，或者整体均为导电材料构成，所述的导电材料可选自金属、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体，电极层可以为平板、薄片或薄膜，其中薄膜厚度的可选范围为10nm-5mm，优选为50nm-1mm，优选为100nm-500μm。本领域常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；有机物导体一般为导电高分子，包括自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。

整个发电机中只有一个电极层是本发明最为显著的特点，而且该电极层的位置并不限定必须位于第二部件20的外表面，也可以位于第一部件10的内表面上，这种位置的变化对发电机的效果没有明显影响，技术人员可以根据实际需要和制造成本来自行选择。

为了提高本发明发电机的输出性能，优选在所述摩擦层面向电极层的表面，和/或，所述电极层面向摩擦层的表面，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构，以增加摩擦层和电极层的有效接触面积，提高二者的表面电荷密度。该微结构优选为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列，可以是通过光刻蚀、等离子刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在纳米到微米量级，具体微纳米结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。

形成纳米阵列的方法除了物理方法，还包括化学方法，例如光刻蚀、化学刻蚀和离子体刻蚀等，还可以通过纳米材料的点缀或涂层的方式来实现该目的。除此之外，也可以对相互接触的摩擦层和/或电极层的表面进行化学改性，能够进一步提高电荷在接触瞬间的转移量，从而提高接触电荷密度和发电机的输出功率。化学改性又分为如下两种类型：

一种方法是对于相互接触的摩擦层和电极层，在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团（即强给电子团），或者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易得电子的官能团（强吸电子团），都能够进一步提高电荷在相互滑动时的转移量，从而提高摩擦电荷密度和发电机的输出功率。强给电子团包括：氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子团包括：酰基、羧基、硝基、磺酸基等。官能团的引入可以采用等离子体表面改性等常规方法。例如可以使氧气和氮气的混合气在一定功率下产生等离子体，从而在摩擦层材料表面引入氨基。

另外一种方法是在极性相对为正的摩擦材料表面引入正电荷，而在极性为负的摩擦材料表面引入负电荷。具体可以通过化学键合的方式实现。例如，可以在聚二甲基硅氧烷PDMS摩擦层表面利用溶胶-凝胶（英文简写为sol-gel）的方法修饰上正硅酸乙酯（英文简写为TEOS），而使其带负电。也可以在金属金薄膜层上利用金-硫的键结修饰上表面含十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的金纳米粒子,由于十六烷基三甲基溴化铵为阳离子，故会使整个摩擦层变成带正电性。本领域的技术人员可以根据摩擦层材料的得失电子性质和表面化学键的种类，选择合适的修饰材料与其键合，以达到本发明的目的，因此这样的变形都在本发明的保护范围之内。

本发明并不限定摩擦层和电极层必须是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为材料的硬度并不影响二者之间的接触摩擦效果，如需摩擦面维持平面，还可以通过其他部件的支撑来实现。因此，本领域的技术人员可以根据实际情况来选择摩擦层和电极层的材料硬度。

发明人在实验中发现，当摩擦层和电极层表面相互接触的部分能够达到的最大分离间距d与二者接触面的长度和宽度D尺寸可比甚至更大时（参见图2，该图中仅示出二者接触面的长度，宽度没有显示，但是宽度的尺寸也是与d可比的），发电机的输出性能比较好。优选该最大分离间距d与所述长度和宽度的比值均在0.5-100之间，更优选在1-100之间，当然该比值还可以更大，理论上的电信号输出性能会更好，但是需要考虑器件加工的难易程度。因此，在实际使用的时候可以依据该原则来调整摩擦层和电极层的尺寸和相对位置，以便达到更好的发电性能。

电极层与等电位源形成电连接是本发明发电机正常工作的关键，该等电位源可以通过接地提供，也可以由外部的补偿电路来提供。所述的电连接既可以直接通过需要供电的外电路30实现，也可以通过在发电机内部设置负载来实现（图中未画出），即电极层通过该负载与等电位源实现电连接，需要供电的外部电路30通过与该负载并联或串联来接受电信号。

图4所示的为本发明发电机含有第一支撑元件的一种典型实施方式，包括具有弹性弯曲形变特性并且围成一空腔的第一部件和至少部分处于所述空腔中的第二部件20，其中第一部件由面向空腔的摩擦层101和与摩擦层101外表面贴合的第一支撑元件102构成，第二部件20面向摩擦层101的至少部分外表面为电极层，电极层与等电位源30电连接，摩擦层和电极层的至少部分表面在外力和第一部件的弹性的作用下能够发生接触和分离，同时通过电极层和等电位源30输出电信号。

在图1所示的实施方式中已经明确，第一部件的内表面可以为摩擦层也可以为电极层，因此虽然图4中第一支撑元件102是贴合在摩擦层101背向空腔的外表面上，但是当第一部件的内表面为电极层时，第一支撑元件102也完全可以贴合在电极层背向空腔的外表面上。对于这两种情况，第一支撑元件102的作用主要有3点：第一，对摩擦层或电极层进行保护，提高发电机的机械强度，针对该作用，可以选择常规的耐磨材料来制备第一支撑元件102，例如聚酯片、橡胶片等；第二，当摩擦层101或电极层不具备弹性或弹性不足时，可以为整个第一部件提供弹性以保证发电机的正常工作，为此可以选择具有较好弹性弯曲形变特性的材料来制备第一支撑元件102，例如聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙稀；第三，为导电的第一部件提供绝缘保护，当第一部件由电极层构成时，其外表面容易漏电，不仅会造成发电机输出性能的下降，更给使用带来不便，为此可在电极层的外表面贴合一层绝缘的第一支撑元件102，即可很方便的解决该问题，此时第一支撑元件102可以选择本领域常规的绝缘材料。使用第一支撑元件102不论是为了以上哪种目的，都要注意第一部件的整体弹性，为此优选第一支撑元件102的厚度为50μm-10mm，优选为100μm-5mm，更优选127μm-1mm。其形状和尺寸可以自由选择，优选与摩擦层或电极层的形状和尺寸相匹配。

图5所示的为本发明发电机含有第二支撑元件的一种典型实施方式，其结构与图4所示的实施方式基本相同，因此不再赘述，此处仅对二者的区别进行说明，区别有2点：第一，图5所示的方式中第二部件由内部的第二支撑元件202和贴合在第二支撑元件202外表面的电极层201构成，而图4中第二部件仅由电极层提供；第二，图5所示的方式中第一部件与第二部件的一端固定，使得第二部件完全处于第一部件构成的空腔中，而图4中的第二部件仅部分处于该空腔中，并且在没有外力的作用时第一部件与第二部件之间没有接触。关于区别一，第二支撑元件202的作用是提高第二部件的机械强度、硬度和/或减轻其重量，一般由绝缘的有机物制备，例如有机玻璃、橡胶、硅片、塑料板等等，电极层201或摩擦层通过沉积或粘合等常规方式固定在其外表面。第二支撑元件201的形状和尺寸都没有限定，既可以是平板式，也可以是其他形状，只要能起到支撑作用即可，例如可以是长方体、立方体、球体等，优选与第一部件中摩擦层的形状和尺寸相匹配。关于区别二，图4和图5所示的第一部件和第二部件的2种相对位置及固定方式各有优势，图4所示的实施方式中第一部件和第二部件之间没有固定，可以方便的拆卸或分别安装在不同的部件上配合使用，而图5所示的实施方式中更适用于整体使用的情况，便于携带和封装，有效摩擦面积也更大。本领域的技术人员可以根据实际情况对这两种情况进行选择，还可以在本发明公开的内容基础上，做简单的变形，这些都在本发明的保护范围内。

图6所示的是本发明发电机中第一部件为封闭曲面的一种典型实施方式，包括具有弹性弯曲形变特性并且由封闭曲面围成一空腔的第一部件和至少部分处于所述空腔中的第二部件20，所述第一部件由内表面电极层101和外表面第一支撑元件102构成，所述第二部件20面向所述第一部件的外表面为摩擦层，所述电极层与等电位源30电连接，所述摩擦层和电极层的至少部分表面在外力和所述第一部件的弹性的作用下能够发生接触和分离，同时通过所述电极层和所述等电位源输出电信号。

该实施方式中第一部件为由封闭曲面围成的中空结构，优选为中空的柱面，例如圆柱面、椭圆柱面、棱柱面等。这种结构的优势在于第二部件20与第一部件之间无需外加的固定部件，也无需胶黏剂，只需将第二部件20搁置在由封闭曲面形成的第一部件空腔内即可。

第二部件20可以是平板状结构，也可以是柱体（参见图7）、球体或多面体，还可以是与第一部件部分内表面贴合的曲面结构，例如薄膜，可参见图8所示的实施方式。第二部件的形状不同，能够调整对外力的收集方向，例如图6所示的平板式第二部件和图8所示的曲面结构第二部件，都比较适于收集与平板和曲面上下表面垂直的压力，而图7所示的横截面为圆形的第二部件，则对任何方向的压力都能够较好的收集。另外，图8所示的曲面结构第二部件因为是贴合在第一部件的内表面，所以相对固定的比较好，而且形状能够随着第一部件的变化而变化，整个发电机的适应性较强。

图9给出了第一部件为全封闭结构的典型发电机结构示意图，包括具有弹性弯曲形变特性并且由封闭曲面围成一全封闭空腔的第一部件10和置于所述全封闭空腔中的第二部件20，所述第一部件10的至少部分内表面为摩擦层，所述第二部件20面向所述空腔的外表面为电极层，所述电极层与等电位源30电连接，所述摩擦层和电极层的至少部分表面在外力和所述第一部件的弹性的作用下能够发生接触和分离，同时通过所述电极层和所述等电位源30输出电信号。

这种全封闭结构更利于封装，以便在对机械强度需求较大或腐蚀性氛围下工作。全封闭的第一部件10可以是中空的椭球体、也可以是中空的球体（参见图9）、还可以根据需要做成其他中空的多面体，例如四面体、六面体、八面体，也可以是不规则的结构，例如中间厚、边缘薄的中空饼状结构等等。第一部件10的全部或部分内表面可以为摩擦层或电极层。与该第一部件10相配合使用的第二部件20可以是平板、多面体或球体，其外表面的全部或部分可以为电极层或摩擦层，只要与第一部件10相匹配即可。

上面给出了本发明所设计的多种单电极摩擦纳米发电机的典型结构，本领域的技术人员可以在这些结构的基础上进行简单变形，从而获得适用于不同工作环境的发电机，但是这样的变形都是在本发明所公开的基本构思下完成，都属于本发明所保护的范围。

为了提高发电机对机械能的利用效率和增强电信号的输出强度，可以将2个以上本发明所公开的上述单电极摩擦纳米发电机进行组合，形成发电机组，并且调整各发电机的连接方式，将各并联发电机输出的电信号单独监控或统一监控，以满足不同需要。需要说明的是，因为下述发电机组中所涉及的都是本发明前面给出的发电机，各部件在前面都已经有详细的描述，因此下面仅针对发电机组的整体结构、各发电机的连接关系和有特殊要求的部件进行说明，而对于发电机中其他没有特殊要求的部件，就不另做说明，均以前面的描述为准。

图11是本发明发电机组的一种典型实施方式，包括多个图3所示的发电机并联形成，这些发电机横向并排放置并共用一个平板式的第二部件20，所有发电机的电信号统一收集。每个发电机的第一部件10，特别是摩擦层可以相同或不同，即所有发电机的第一部件10至少部分不同，或完全相同。当所有摩擦层都相同时，发电机组中的任何一个发电机单元受到相同外力的作用后，都会输出相同的电信号，当外力同时作用在多个发电机单元上时，输出的电信号会累加。由此可以推断出外力的作用范围，或者外力源与发电机的接触面积。利用这种特性，可以将该发电机组用于对接触面积的探测上。当各发电机单元中的摩擦层不同时，相同的外力单独作用在不同的发电机单元上会输出不同的电信号，亦即，发电机组输出的电信号能够反映外力的坐标信息。基于这种特性可以对外力的作用路线进行追踪。而对于大小不同的外力，同一个发电机输出的电信号数值会有所变化，本发明人发现施加在发电机上的压力大小与电信号的输出具有正相关性，因此本发明的发电机组还能用于对压力分布的监测。

需要注意的是，对于同时工作的几个发电机，其摩擦层与电极层相比要具有相同的摩擦电极序趋势，即与电极层接触后，摩擦层均容易得到电子或摩擦层均容易失去电子，这样能够保证各发电机输出的信号是正向叠加，发电机组的输出性能得到提高。但是，如果发电机组中的发电机并不同时工作，而仅仅是制造的时候并排放在一起，共用了电极层。那么对于发电机单元中摩擦层和电极层的材料选择则没有这样的限制。

图12所示的是发电机组的另一种典型结构，与图11所示的方式类似的是所有发电机也都共用一个第二部件，并且所有发电机的电信号统一收集，区别在于第一部件10是与图6类似的封闭曲面结构，所以多个发电机的排列方式收到制约，只能形成如图所示的被串起来的一排。同样这些发电机也可以是相同或不同的，不同的发电机在同时工作时，要确保摩擦层与电极层相比具有相同的摩擦电极序倾向。

图13是本发明发电机纵向叠加形成并联发电机组的结构示意图，虽然图中给出的发电机具有图6所示发电机的结构，但在实际应用过程中，本发明所公开的任何发电机均可按照该方式进行组装。这种实施方式在外加压力作用在发电机组上时，可以同时驱动2个发电机工作，明显的提高了对机械能的利用率。当然还可以根据外力的大小来调整叠加发电机的数量，外力越大，数量越多，以能够有效驱动所有发电机正常工作为准。叠加起来的各发电机单元可以相同也可以不同，特别是对于每个发电机单元所连接的外电路30具有不同供电要求的情况，采用不同的发电机单元能够更好的解决该问题：对于需要输出电信号更强的，则可以增加该发电机单元摩擦层和电极层之间的分离距离；对于需要灵敏度更高的，则可以对相应发电机单元的摩擦层和电极层的接触表面进行处理，例如形成纳米结构以增加接触表面等等。

当然，对于不共用电极层的多个发电机单元横向并排布置，也能够实现面积探测和路线追踪功能，但是需要对每个发电机单元单独监测，而且要实现路线追踪功能还需对每个监测仪器所反映的路线信息进行事先关联。这种实施方式的好处是可以同时对外力施加源与发电机的接触面积和移动路线进行很方便、直观的监测。利用该原理本发明还提供一种追踪装置（参见图14）：包括2个以上前述任一款发电机，每个发电机的摩擦层或电极层朝上设置于被追踪物体行进的表面上，并且电极层和摩擦层能够在被追踪物体的压力下至少部分表面接触，而在被追踪物体离开后恢复原状，每个发电机输出的电信号被独立监控，每个监控电路（附图标记为301、302、……308）的一端均接地，对每个发电机输出的信号同时采集。当物体在追踪***上面移动的时候，不同的发电机先后和物体接触，所产生的压缩力将导致不同的摩擦发电机对外输出信号，通过分析这些信号，我们可以知道物体在这个追踪***上的具体移动路径。虽然图14中示出的是所有发电机共用一个第二部件20，并且第二部件20的外表面为摩擦层，但是这只是为了实现各发电机输出信号单独监控的一种典型方式，事实上将前述任何一款发电机按照一定图形排列，只要将各发电机的信号进行单独监控都可以成为本发明的追踪装置。该追踪装置无需外加电源，当被追踪对象作用在其上时，被追踪对象的压力即成为本追踪装置的动力源，并将该动力转变为电信号进行输出。

通过前面的描述，可以很清楚的了解到本发明其实还公开了一种全新的发电方法，其特征在包括如下步骤：

（1）提供一个摩擦层，

（2）提供一个电极层，

（3）将所述电极层与等电位源形成电连接；

（4）施加外力使所述摩擦层和所述电极层的至少部分表面之间形成至少一个接触-分离周期；

（5）在步骤（4）的过程中，通过所述电极层和所述等电位源输出电信号；

优选地，步骤（4）中所述摩擦层和所述电极层完全接触；

优选地，步骤（4）中施加的是方向周期性翻转或大小周期性变化的持续外力。

该方法适用于本发明中公开的任何发电机或发电机组，对于其他结构的发电机，只要是按照如上步骤进行发电的也都包括在本发明的范围内。

实施例1：包围式单电极摩擦纳米发电机的制备

利用激光切割一个长3cm×宽3cm×厚1.59mm的有机玻璃板作为第二支撑元件，一片Al箔用来盖住有机玻璃板。用胶布把一片长7cm×宽3cm×厚25μm尼龙薄膜和一片长7cm×宽3cm×厚127μm的聚酰亚胺贴合在一起。尼龙的表面朝向Al箔，其两端用胶布分别对称的固定在有机玻璃的上下表面，形成一个弹性空腔（参见图15）。用铜导线连接Al箔，并和一个电阻相连接，电阻的另外一端接地。由于聚酰亚胺薄膜具有良好的弹性可以确保在没有压力情况下，尼龙薄膜和Al箔是完全分离的。在压缩的时候，两层薄膜可以接触在一起。对发电机的柔性外膜施加外力，如轻按，电压表有相应的电信号输出，说明能够将机械能转化为电能进行发电。

实施例2：单电极摩擦发电机组的制备

利用激光切割一个长10cm×宽10cm×厚1.59mm的有机玻璃板作为第二支撑元件，在其上下表面镜面对称的地方各制备1条10cm×2cm×0.5mm的Cu膜。另取2片10cm×3cm×1mm的聚苯乙烯薄片作为摩擦层，将每一片的两端分别对称的固定在有机玻璃的上下表面，使得聚苯乙烯薄片被弯曲形成一个空腔，并且聚苯乙烯薄片覆盖在Cu膜的正上方。每个Cu膜均由导线和一个一端接地的电阻连接，组成了一个具有2个发电机的发电机组，其结构与图11所示的实施方式类似。由于聚苯乙烯的高弹性可以确保在没有压力情况下，聚苯乙烯薄片和Cu膜是完全分离的。在压缩的时候，二者相对的表面可以接触在一起，因此该发电机组能够正常工作。

图16为本发电机组的实物照片以及工作时的电信号输出图，其中图16-a为所制备发电机组的实物照片，图16-b为左右两个发电机单独工作和同时工作的电流和电压输出图，可以看出，通过形成发电机组的形式可以明显的提高发电效率。图16-c为左侧发电机工作时与之相连的LCD灯泡被点亮的照片，图16-d为右侧发电机工作时与之相连的LCD灯泡被点亮的照片。

实施例3：单电极摩擦发电机追踪装置的制备

按照实施例1的方法制作16个相同尺寸的摩擦发电机，并以4×4的矩阵排列，整个发电机组的电路连接如图17-a所示。其中与实施例1不同之处在于：第一部件为铝箔，第二部件为聚四氟乙烯板。当物体在该追踪***移动的时候，物体和摩擦发电机的接触，将导致发电机的压缩，从而对外输出电信号。通过对这些信号的采集，可以实现对物体移动路径的探测。该***直接利用摩擦发电机作为触发的传感器，不需要外部供电，可以有效的节约能源，并能长期稳定的工作。图17-b是所制作的追踪***的实物照片。当我们压缩一个发电机的时候，得到的数据图像上，可以清楚的显示是第7个发电机（图17-c）。图17-d和图17-e显示出对发电机施加不同大小的外力，得到的响应信号明显不同，因此本发明的追踪***还可以反应被追踪物体的重力信息。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (36)

1.一种单电极摩擦纳米发电机，其特征在于包括： 

具有弹性弯曲形变特性并且围成一空腔的第一部件， 

和， 

至少部分处于所述空腔中的第二部件， 

所述第一部件面向第二部件的至少部分内表面为摩擦层或电极层， 

所述第二部件面向所述第一部件的至少部分外表面为电极层或摩擦层， 

所述电极层与等电位源电连接， 

所述摩擦层和电极层的至少部分表面在外力和所述第一部件的弹性的作用下能够发生接触和分离，同时通过所述电极层和所述等电位源输出电信号。 

2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于所述摩擦层和所述电极层之间存在摩擦电极序差异。 

3.如权利要求2所述的发电机，其特征在于所述摩擦层选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚乙烯醇缩丁醛、尼龙、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯。 

4.如权利要求2或3所述的发电机，其特征在于所述电极层为导电材料，选自金属、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体。 

5.如权利要求4所述的发电机，其特征在于其所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，所述有机物导体为导电高分子，包括自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和聚 噻吩。 

6.如权利要求1-5任一项所述的发电机，其特征在于所述电极层为薄膜或体相材料，其中薄膜的厚度为10nm-5mm。 

7.如权利要求1-6任一项所述的发电机，其特征在于所述摩擦层面向所述电极层的表面，和/或，所述电极层面向摩擦层的表面上，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构。 

8.如权利要求7所述的发电机，其特征在于所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列。 

9.如权利要求1-8任一项所述的发电机，其特征在于所述摩擦层面向所述电极层的表面，和/或，所述电极层面向摩擦层的表面上，有纳米材料的点缀或涂层。 

10.如权利要求1-9任一项所述的发电机，其特征在于所述摩擦层面向所述电极层的表面，和/或，所述电极层面向摩擦层的表面，经过化学改性，在二者中摩擦电极序相对为负的表面引入容易得到电子的官能团，和/或，在二者中摩擦电极序相对为正的表面引入容易失去电子的官能团。 

11.如权利要求1-10任一项所述的发电机，其特征在于所述第一部件朝向所述空腔的全部内表面均为所述摩擦层或电极层。 

12.如权利要求1-11任一项所述的发电机，其特征在于所述第一部件 为非封闭结构，所述第二部件的上下表面分别与所述第一部件非封闭的边缘固定，使得所述第二部件的部分位于空腔内。 

13.如权利要求1-12任一项所述的发电机，其特征在于所述第一部件为闭合曲面或全封闭结构。 

14.如权利要求13所述的发电机，其特征在于所述闭合曲面为中空的柱面；所述全封闭结构为中空的椭球体、中空的球体、中空的多面体或中间厚、边缘薄的中空饼状结构。 

15.如权利要求1-14任一项所述的发电机，其特征在于所述第二部件为薄膜、多面体、柱体、或球体。 

16.如权利要求15所述的发电机，其特征在于所述第二部件为平板结构。 

17.如权利要求1-15任一项所述的发电机，其特征在于所述第二部件为与第一部件的部分内表面贴合的曲面结构。 

18.如权利要求1-17任一项所述的发电机，其特征在于在所述分离的过程中，所述摩擦层和电极层表面相互接触的部分能够达到的最大分离间距与二者接触面的长度和宽度尺寸可比或更大。 

19.如权利要求18所述的发电机，其特征在于所述最大分离间距与所述接触面的长度的比值，以及，所述最大间距与所述接触面的宽度的比值均在1-100之间。 

20.如权利要求1-19任一项所述的发电机，其特征在于所述等电位源通过接地提供。 

21.如权利要求1-19任一项所述的发电机，其特征在于所述电连接通过需要供电的外电路实现。 

22.如权利要求1-21任一项所述的发电机，其特征在于还包括负载，并且所述电极层通过所述负载与所述等电位源电连接。 

23.如权利要求1-22任一项所述的发电机，其特征在于所述第一部件的弹性弯曲形变特性由所述摩擦层或电极层提供，或者，由另外包括的一个第一支撑元件提供，所述第一支撑元件贴合在所述第一部件的摩擦层或电极层背向所述空腔的外表面。 

24.如权利要求23所述的发电机，其特征在于所述第一支撑元件选自聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙稀。 

25.如权利要求23或24所述的发电机，其特征在于所述第一支撑元件厚度为50μm到10mm之间。 

26.如权利要求1-25任一项所述的发电机，其特征在于所述第二部件还包括一个第二支撑元件，其外侧面与所述摩擦层或电极层贴合。 

27.如权利要求26所述的发电机，其特征在于所述第二支撑元件为刚性材料。 

28.一种单电极摩擦纳米发电机组，其特征在于由2个以上权利要求1-27任一项单电极发电机并联形成，各发电机输出的电信号单独监控或统一监控。 

29.如权利要求28所述的发电机组，其特征在于所述2个以上所述发电机通过纵向叠加形成所述发电机组。 

30.如权利要求28所述的发电机组，其特征在于所述2个以上发电机通过横向并排放置形成所述发电机组。 

31.如权利要求30所述的发电机组，其特征在于所有发电机共用一个平板式的所述第二部件。 

32.如权利要求31所述的发电机组，其特征在于所述2个以上发电机的第一部件至少部分不同，或完全相同。 

33.一种发电方法，其特征在于包括如下步骤： 

1）提供一摩擦层， 

2）提供一电极层， 

3）将所述电极层与等电位源形成电连接； 

4）施加外力使所述摩擦层和所述电极层的至少部分表面之间形成至少一个接触-分离周期； 

5）在步骤4）的过程中，通过所述电极层和所述等电位源输出电信号。 

34.如权利要求33所述的发电方法，其特征在于步骤4）中所述摩擦层和所述电极层完全接触。 

35.如权利要求33或34所述的发电方法，其特征在于步骤4）中施加的是方向周期性翻转或大小周期性变化的持续外力。 

36.一种基于单电极摩擦纳米发电机的追踪装置，其特征在于包括： 

2个以上权利要求1-27任一项所述的发电机，每个所述发电机的所述第一部件的外表面均设置于被追踪物体行进的表面上，并且所述电极层和所述摩擦层能够在被追踪物体的压力下至少部分表面接触，而在被追踪物体离开后恢复原状，每个发电机输出的电信号被独立监控。